道路邊坡的植被防護能力模擬試驗

摘要：采用人工模擬降雨進行室內沖刷試驗，對比分析狗牙根（Cynodon dactylon）+高羊茅（Festuca arundinacea）（1∶1）、高羊茅+黑麥草（Lolium perenne）（1∶1）、黑麥草+狗牙根（1∶1）3種植被配置模式在30°、45°和60°坡度下的坡面徑流量、徑流泥沙含量及產(chǎn)流時間特征。試驗結果表明在1.5 mm/min降雨強度下，當邊坡為30°和45°時，建議采用黑麥草+狗牙根配置模式，其在試驗過程中的總含沙量分別為0.044和0.062 g/mL，徑流量為594和688 mL，產(chǎn)流時間為197和121 s。當邊坡為45°時，3種植物配置模式中黑麥草+狗牙根模式最先產(chǎn)流。當邊坡為60°時，建議采用狗牙根+高羊茅配置模式，其在試驗過程中的總含沙量為0.117 g/mL，徑流量為775 mL，其產(chǎn)流時間為78 s，在3種植物配置模式中產(chǎn)流最遲。

關鍵詞： 植物防護；室內沖刷試驗；植物配置模式；坡度

中圖分類號：S157.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3525-03

作者簡介：姜罡丞（1964-），男，河南禹州人，副教授，主要從事植物學研究，（電話）15939942678（電子信箱）zhengjinggang197@163.com。

近年來在經(jīng)濟發(fā)展的帶動下，我國的公路建設也在不斷地發(fā)展，但是在其建設過程中因挖土填土形成的坡面由于缺少后期的保護工作引起一系列環(huán)境問題的發(fā)生，破壞了原地貌土壤植被系統(tǒng)的生態(tài)平衡，導致地表裸露，土壤抗侵蝕能力下降，水土流失加劇，生態(tài)破壞嚴重[1-3]。因此，為保持生態(tài)環(huán)境的相對平衡，確保道路的安全與穩(wěn)定，研究公路的邊坡綜合防護技術具有重要的應用價值。近年來公路邊坡防護措施也逐步從單純的工程防護向兼顧工程防護及環(huán)境保護要求的植物防護轉變[4]。

抵抗雨水的沖刷效果以及植物的水土保持能力是影響公路邊坡植物防護成功與否的關鍵因素。許多專家學者在進行了大量的植物涵水固土能力試驗的基礎上得出了相應的理論。吳欽孝等[5]通過研究指出植物根系對坡面的產(chǎn)沙、產(chǎn)流時間產(chǎn)生作用，進而影響到土壤的抗沖刷能力。侯喜祿等[6]認為地被植物有助于林地土壤抵抗高強度暴雨的侵蝕。向師慶等[7]、李勇等[8]認為植物毛根的密度影響土壤的抗沖刷性；劉元保等[9]的研究表明，有植被覆蓋坡面的產(chǎn)沙產(chǎn)流量比裸露坡面少的多。降雨沖刷對道路邊坡防護影響的研究成果較少，不論是采用現(xiàn)場模擬還是實驗室模擬，至今還沒有非常成熟的方法[10-11]。

本研究采用人工模擬降雨對道路邊坡進行沖刷測試，對比分析不同植被配置模式在不同邊坡坡度下的坡面徑流量、徑流泥沙含量以及坡面沖刷情況，探討植被配置與坡度的最佳組合，進而為道路邊坡綜合防護技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇以下3種植物作為試驗材料：狗牙根（Cynodon dactylon）、高羊茅（Festuca arundinacea）以及黑麥草（Lolium perenne）。以上3種草種都是良好的固土護坡植物，耐旱、抗沖刷能力較強，并且本身也是肥料作物，有利于增加土壤肥力，提高土壤的抗侵蝕能力，進而保護邊坡的穩(wěn)定性。

1.2 方法

試驗裝置由4個長30 cm、寬30 cm、深15 cm的PVC板組成，底部有分布均勻的圓形孔隙，便于人工模擬降雨時多余的水分從小孔滲出。另外做3個30°、45°和60°支撐架，以此模擬30°、45°及60°的道路邊坡。裝置的一個邊緣設計了鋸齒狀溢流堰，溢流堰下方設徑流收集槽。在模型槽底部先后鋪上石子與泥土（泥土從郊外的田地中取得，具備植物生長所需的養(yǎng)分與肥力），保持厚度在10 cm左右。將草種按照狗牙根+高羊茅、高羊茅+黑麥草、黑麥草+狗牙根3種植被配置模式在每一個模型槽里以1∶1的比例種植。此后，保持土壤一定的濕度并按時施肥，定期觀察草種的生長情況。

在槽中的草種生長基本穩(wěn)定的前提下，進行室內模擬沖刷試驗。每進行一次試驗后必須有一定的時間間隔，保證模型槽中的各種草有緩沖的時間且生長狀況較好。

依據(jù)以上步驟進行室內模擬沖刷試驗，觀察1.5 mm/min雨量下不同配置模式不同坡度的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量以及無植被覆蓋坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量。

2 結果與分析

2.1 30°邊坡3種植被配置模式的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

在1.5 mm/min降雨強度下，有植被生長的30°坡面各階段的產(chǎn)流量均小于對照裸地（圖1）。高羊茅+黑麥草、黑麥草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的徑流總量分別是650、594 和674 mL，遠遠小于對照裸地的865 mL。3種植被配置相比較而言，黑麥草+狗牙根的產(chǎn)流量最小。

與對照裸地相比，1.5 mm/min降雨強度下有植被生長的坡面其各階段產(chǎn)沙量均值僅為對照裸地的1/3（圖2）。高羊茅+黑麥草、黑麥草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的總產(chǎn)沙量分別是0.060、0.044和0.063 g/mL，高羊茅+黑麥草、狗牙根+高羊茅兩種植被配置模式各階段產(chǎn)沙量接近，均比黑麥草+狗牙根高。因此，綜合3種植被配置模式各階段的產(chǎn)流特征和產(chǎn)沙特征，30°坡面的植被配置模式應優(yōu)先選擇黑麥草+狗牙根。

2.2 45°邊坡三種植被配置模式的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

在1.5 mm/min降雨強度下，有植被生長的45°坡面各階段的產(chǎn)流量均小于對照裸地（圖3）。高羊茅+黑麥草、黑麥草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的徑流總量分別是766、688和765 mL，遠遠小于對照裸地的1 011 mL，3種植被配置相比較而言，黑麥草+狗牙根的產(chǎn)流量最小。

由圖4可知，高羊茅+黑麥草、黑麥草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的總產(chǎn)沙量分別是0.062、0.062和0.071 g/mL，高羊茅+黑麥草、黑麥草+狗牙根兩種植被配置模式各階段產(chǎn)沙量接近。因此綜合3種植被配置模式各階段的產(chǎn)流特征和產(chǎn)沙特征，45°坡面的植被配置模式應優(yōu)先選擇黑麥草+狗牙根模式。

2.3 60°邊坡3種植被配置模式的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

在1.5 mm/min降雨強度下，有植被生長的60°坡面各階段的產(chǎn)流量均小于對照裸地（圖5）。高羊茅+黑麥草、黑麥草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的徑流總量分別是960、998和775 mL，遠遠小于對照裸地的1 070 mL，3種植被配置相比較而言，狗牙根+高羊茅的產(chǎn)流量最小。

高羊茅+黑麥草、黑麥草+狗牙根、狗牙根+高羊茅的總產(chǎn)沙量分別是0.137、0.160和0.117 g/mL（圖6）。因此，綜合3種植被配置模式各階段的產(chǎn)流特征和產(chǎn)沙特征，60°坡面的植被配置模式應優(yōu)先選擇狗牙根+高羊茅。

2.4 植被配置模式對產(chǎn)流時間的影響

由表1可以看出，在30°坡面上，高羊茅+黑麥草配置模式最先產(chǎn)流（183 s），而狗牙根+高羊茅配置模式產(chǎn)流最遲（209 s）；在45°坡面上，黑麥草+狗牙根配置模式最先產(chǎn)流（121 s）；在60°坡面上，狗牙根+高羊茅配置模式產(chǎn)流最遲（78 s）。與有植被覆蓋的坡面相比，30°、45°和60°裸地坡面的產(chǎn)流時間分別為131、56和47 s，明顯早于有植被覆蓋的坡面。

3 結論

研究結果表明，在1.5 mm/min降雨強度下，當邊坡為30°時，建議采用黑麥草+狗牙根配置模式，其在試驗過程中的徑流量最小，為594 mL；總含沙量最小，為0.044 g/mL；其產(chǎn)流時間為197 s，介于高羊茅+黑麥草和狗牙根+高羊茅之間。當邊坡為45°時，建議采用黑麥草+狗牙根配置模式，其在試驗過程中的徑流量最小，為688 mL，總含沙量為0.062 g/mL；在3種植物配置模式中最先產(chǎn)流。當邊坡為60°時，建議采用狗牙根+高羊茅配置模式，其在試驗過程中的徑流量最小，為775 mL；總含沙量最小，為0.117 g/mL；3種植物配置模式中產(chǎn)流最遲。

參考文獻：

[1] 王白蓀，彭少麟.植被生態(tài)學[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2007.286-287.

[2] 卓慕寧，李定強，賀新良，等.論高速公路建設中的水土保持生態(tài)恢復[J].水土保持研究，2003，10（4）：209-211.

[3] 孫 青，卓慕寧，李利安，等.論高速公路建設中的生態(tài)破壞及其恢復[J].土壤與環(huán)境，2002，11（2）：210-212.

[4] 程日盛.邊坡生態(tài)防護室內沖刷試驗研究[J].中外公路，2007， 27（5）：34-36.

[5] 吳欽孝，趙鴻雁，劉向東，等.森林枯枝落葉層涵養(yǎng)水源保持水土的作用評價[J].土壤侵蝕與水土保持學報，1998，4（2）：23-28.

[6] 侯喜祿，梁一民，曹清玉. 黃土丘陵溝壑區(qū)主要水保林類型及草地水保效益的研究[J].中國科學院西北水土保持研究所集刊，1991（14）：96-103.

[7] 向師慶，呂 井. 灌草叢根系在保護土壤資源上的研究[J]. 北京林業(yè)大學學報，2008，10（4）：24-30.

[8] 李 勇，吳欽孝，朱顯謨，等.黃土高原植物根系提高土壤抗沖性能的研究[J].水土保持學報，1990，4（1）：1-5，10.

[9] 劉元保，唐克麗，查 軒，等.坡耕地不同地面覆蓋的水土流失試驗研究[J]. 水土保持學報，1990，4（1）：25-29.

[10] 鄭粉莉.坡面降雨侵蝕和徑流侵蝕研究[J].水土保持通報，1998，18（6）：17-21.

[11] 吳淑安，蔡強國.土壤表土中植物根系影響其抗蝕性的模擬降雨試驗研究——以張家口試驗區(qū)為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，1999，13（3）：35-43.